CN110527438A - 一种提高复合材料胶接性能的表面处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种提高复合材料胶接性能的表面处理方法，该方法首先在复合材料预成型体(2)的待胶接表面与可剥布(3)之间加入一层界面胶层(1)，封装、固化后，撕掉可剥布(3)，将界面胶层(1)上很薄的一层保留在复合材料制件(4)表面，形成薄胶层(5)，该薄胶层(5)即能够在复合材料制件(4)的待胶接表面体现出可剥布(3)所形成的粗糙形态、增大胶接面积，本身又具有与复合材料及复合材料胶接胶膜良好的相容性和反应活性，能够与复合材料制件(4)基体和胶接胶膜(6)均发生充分浸润并参与固化反应，从而在两者间形成化学键合的强界面结合。
Description
技术领域
本发明是一种提高复合材料胶接性能的表面处理方法，属于复合材料胶接技术领域。
背景技术
复合材料的胶接性能对减轻复合材料构件结构重量、扩展复合材料的应用范围具有重要的意义。为提高复合材料胶接性能，通常需要在胶接前对复合材料进行表面处理。传统的表面处理方法是在复合材料零件成型固化后，对复合材料表面进行手工打磨、喷砂处理等，提高复合材料表面粗糙度、增加与胶膜的接粘接面积。但是，这种方法工艺稳定性差、污染严重，并且存在损伤纤维而造成零件报废的风险。
基于上述问题，近年来国内外工程人员选择采用可剥布去除法进行复合材料胶接前的表面处理。可剥布是一种用于复合材料表面处理的纤维织物层，主要材质为聚酯、聚酰胺或玻璃纤维。根据是否被树脂浸渍，分为干可剥布和湿可剥布两类。通常，在复合材料固化成型前将可剥布铺贴在复合材料预成型体表面，并在固化后撕去，通过将可剥布的纤维织物纹理留在复合材料表面，而达到提高其粗糙度和胶接强度的目的。此种方法工艺稳定可重复，并且能够减少操作工序，已成为目前广泛应用的一种表面处理方法。
然而，在实际研究和应用中发现，干可剥布倾向于在剥离后在粘合表面上留下残留的断裂纤维，并会带走部分复合材料基体树脂造成局部贫脂，导致复合材料胶接性能的下降。采用湿可剥布可以有效避免干可剥布的纤维残留及树脂损失问题，但需要对特定的复合材料和胶膜体系进行匹配性研究，如果湿可剥布中的胶液与基体树脂和胶膜不匹配，则会削弱界面结合强度，影响胶接质量。随着复合材料胶接件应用领域的不断拓宽，亟待开发优异的复合材料表面处理方法，以满足目前复合材料胶接质量和胶接效率的要求。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的缺点而提供了一种提高复合材料胶接性能的表面处理方法，其目的是通过在复合材料和胶接胶膜间引入一个界面胶层，提高复合材料与胶膜间的界面结合，进而提高复合材料的胶接性能。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种提高复合材料胶接性能的表面处理方法，其特征在于：该方法首先在复合材料预成型体(2)的待胶接表面与可剥布(3)之间加入一层界面胶层(1)，封装、固化后，撕掉可剥布(3)，使界面胶层(1)在复合材料制件(4)待胶接的粗糙表面保留连续的薄胶层(5)，该薄胶层(5)的厚度为界面胶层(1)厚度的1～10％。
进一步，复合材料预浸料为中温固化环氧树脂预浸料、高温固化环氧树脂预浸料或双马来酰亚胺预浸料。
进一步，可剥布(3)为聚酯、聚酰胺或玻璃纤维织物，织物面积重量≥80g/m2，经纱密度范围为80-250D，纬纱密度范围为80-250D，经向断裂强力≥150磅，纬向断裂强力≥120磅。
进一步，界面胶层(1)包括基体树脂、固化剂和添加剂。界面胶层(1)的基体树脂与复合材料制件(4)和胶接胶膜(6)的基体树脂的类别相同，界面胶层(1)与复合材料制件(4)和胶接胶膜(6)均能够实现胶接、固化。界面胶层(1)的添加剂为增韧剂、促进剂、偶联剂、助剂及增强填料中的一种或一种以上的混合物。
进一步，界面胶层(1)首先铺帖在复合材料预成型体(2)的待胶接表面后再铺帖可剥布(3)，或界面胶层(1)与可剥布(3)结合后再铺帖在复合材料预成型体(2)的待胶接表面上。
进一步，薄胶层(5)的厚度为界面胶层(1)厚度的2～3％。
本发明技术方案在撕去可剥布(3)后，能够将界面胶层(1)上很薄的一层保留在复合材料表面，形成薄胶层(5)，该薄胶层(5)即能够在复合材料制件(4)的待胶接表面体现出可剥布(3)所形成的粗糙形态，增大胶接面积，本身又具有与复合材料及复合材料胶接胶膜的良好相容性和反应活性，能够与复合材料基体和胶接胶膜均发生充分浸润并参与固化反应，从而在两者间形成化学键合的强界面结合。
采用本发明所述方法，能够在复合材料胶接界面间实现机械啮合作用和化学键合作用的协同，从而形成强界面结合、提高复合材料胶接性能。本方法操作简便、工艺稳定可靠，具有广泛的推广和应用价值。
附图说明
图1为在复合材料预成型体(2)的待胶接表面与可剥布(3)之间加入一层与界面胶层(1)的结构示意图
图2为固化过程中的形态示意图，图中界面胶层(1)上、下表面外侧的黑点分别表示界面胶层(1)向复合材料预成型体(2)和可剥布(3)的扩散和浸渍
图3为固化后从复合材料制件(4)表面撕去可剥布(3)并保留薄胶层(5)的示意图
图4为在薄胶层(5)上铺贴胶接胶膜(6)的示意图，图中胶接胶膜(6)下表面附近的黑点表示薄胶层(5)向胶接胶层(6)扩散
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
实施例1
采用本发明方法对航空用碳纤维增强环氧树脂基复合材料进行胶接前表面处理，所用复合材料预浸料为高温固化环氧树脂预浸料(X850，Cytec)，所用界面胶层(1)为双酚A二缩水甘油醚环氧树脂单体(DGEBA)、环氧乙烷改性双氰胺固化剂和环氧化聚丁二烯增韧剂的混合物，环氧单体与固化剂的当量比为1.1，所用可剥布(3)为一种聚酯纤维织物(Release Ply G，Airtech)，所用胶膜为改性环氧类胶膜(EA 7000，Loctite)，具体处理过程如下：
首先，将界面胶层(1)铺贴在复合材料预成型体(2)表面，通过辊压使界面胶层(1)的下表面与复合材料预成型体(2)表面贴合，再在界面胶层(1)的上表面铺贴一层可剥布(3)，如图1所示。然后，对上述组件进行封装，并按照X850树脂预浸料的固化制度(180℃保温2h)进行固化。加热过程中，随着温度的升高，复合材料预成型体(2)中的树脂和界面胶层(1)粘度下降，由于界面胶层的分子结构与环氧树脂基体具有高度相似性，良好的相容性使其相互融合、扩散，界面胶层(1)中的环氧基团和活泼氢参与复合材料的基体固化；同时，界面胶层(1)流入可剥布(3)的织物中，实现了织物的部分浸渍，见图2。固化后，去除可剥布(3)，界面胶层(1)沿可剥布织物下表面发生断裂，使得带有可剥布(3)织物纹路的薄胶层(5)保留在复合材料表面，获得具有活性、粗糙表面的复合材料制件(4)，如图3所示。该薄胶层(5)的厚度为界面胶层(1)厚度的2％。最后，在复合材料制件(4)的薄胶层(5)表面铺贴胶接胶膜(6)，与其他构件进行胶接、固化，薄胶层(5)中剩余活性官能团进一步参与胶接胶膜(6)固化，在复合材料制件(5)和胶接胶膜(6)间形成机械啮合和化学键合的双重作用，如图4所示。
实施例2
采用本发明方法对航空用碳纤维增强环氧树脂复合材料进行胶接前表面处理，所用复合材料预浸料为中温固化环氧树脂预浸料(M21C，Hexcel)，所用界面胶层(1)为双酚A二缩水甘油醚环氧树脂单体(DGEBA)、聚醚胺固化剂和增韧剂的混合物，环氧单体与固化剂的当量比为1.2，所用可剥布(3)为一种聚酯纤维织物(Release Ply F，Airtech)，所用胶接胶膜为改性环氧类胶膜(EA7000，Loctite)，具体处理过程如下：
首先，将界面胶层(1)与可剥布(3)复合，其中，界面胶层占带胶可剥布总重量的45％，然后铺帖在复合材料预成型体(2)的待胶接表面上，如图1所示。对上述组件进行封装，并按照M21C树脂预浸料的固化制度(120℃保温2h)进行固化。加热过程中，随着温度的升高，复合材料预成型体(2)中的树脂和界面胶层(1)粘度下降，良好的相容性使其相互融合、扩散，界面胶层(1)中的环氧基团和活泼氢参与复合材料的基体固化；同时，界面胶层(1)流入可剥布(3)的织物中，实现了织物的部分浸渍，见图2。固化后，去除可剥布(3)，界面胶层(1)沿可剥布织物下表面发生断裂，使得带有可剥布(3)织物纹路的薄胶层(5)保留在复合材料表面，获得具有活性、粗糙表面的复合材料制件(4)，如图3所示。该薄胶层(5)的厚度为界面胶层(1)厚度的3％。最后，在复合材料制件(4)的薄胶层(5)表面铺贴胶接胶膜(6)，与其他构件进行胶接、固化，薄胶层(5)中剩余活性官能团进一步参与胶接胶膜(6)固化，在复合材料制件(4)和胶接胶膜(6)间形成机械啮合和化学键合的双重作用，如图4所示。
实施例3
采用本发明方法对航空用碳纤维增强双马来酰亚胺树脂复合材料进行胶接前表面处理，所用复合材料预浸料为增韧双马预浸料(CCF/QY9511，北京航空工业制造工程研究所)，所用界面胶层(1)为二苯甲烷型双马树脂单体和二烯丙基双酚A增韧改性剂的混合物。
所用可剥布(3)为一种聚酰胺纤维织物(Release Ply A，Airtech)，所用胶接胶膜为双马结构胶膜(J-299，黑龙江石化院)，具体处理过程如下：
首先，将界面胶层(1)与可剥布(3)复合，其中，界面胶层占带胶可剥布总重量的40％，然后铺帖在复合材料预成型体(2)的待胶接表面上，如图1所示。对上述组件进行封装，并按照QY9511树脂预浸料的固化制度(120℃保温1h,升温至185℃保温2h，升温至200℃保温4h)进行固化。加热过程中，随着温度的升高，复合材料预成型体(2)中的树脂和界面胶层(1)粘度下降，良好的相容性使其相互融合、扩散，界面胶层(1)中的自由基参与复合材料的基体固化；同时，界面胶层(1)流入可剥布(3)的织物中，实现了织物的部分浸渍，见图2。固化后，去除可剥布(3)，界面胶层(1)沿可剥布织物下表面发生断裂，使得带有可剥布(3)织物纹路的薄胶层(5)保留在复合材料表面，获得具有活性、粗糙表面的复合材料制件(4)，如图3所示。该薄胶层(5)的厚度为界面胶层(1)厚度的3％。最后，在复合材料制件(4)的薄胶层(5)表面铺贴胶接胶膜(6)，与其他构件进行胶接、固化，薄胶层(5)中剩余活性官能团进一步参与胶接胶膜(6)固化，在复合材料制件(4)和胶接胶膜(6)间形成机械啮合和化学键合的双重作用，如图4所示。
Claims (8)
1.一种提高复合材料胶接性能的表面处理方法，其特征在于：该方法首先在复合材料预成型体(2)的待胶接表面与可剥布(3)之间加入一层界面胶层(1)，封装、固化后，撕掉可剥布(3)，使界面胶层(1)在复合材料制件(4)待胶接的粗糙表面保留连续的薄胶层(5)，该薄胶层(5)的厚度为界面胶层(1)厚度的1～10％。
2.根据权利要求1所述的提高复合材料胶接性能的表面处理方法，其特征在于：所述复合材料的预浸料为中温固化环氧树脂预浸料、高温固化环氧树脂预浸料或双马来酰亚胺预浸料。
3.根据权利要求1所述的提高复合材料胶接性能的表面处理方法，其特征在于：所述可剥布(3)为聚酯、聚酰胺或玻璃纤维织物，织物面积重量≥80g/m2，经纱密度范围为80-250D，纬纱密度范围为80-250D，经向断裂强力≥150磅，纬向断裂强力≥120磅。
4.根据权利要求1所述的提高复合材料胶接性能的表面处理方法，其特征在于：界面胶层(1)包括基体树脂、固化剂和添加剂。
5.根据权利要求1或4所述的提高复合材料胶接性能的表面处理方法，其特征在于：所述界面胶层(1)的基体树脂与复合材料制件(4)和胶接胶膜(6)的基体树脂的类别相同，界面胶层(1)与复合材料制件(4)和胶接胶膜(6)均能够实现胶接、固化。
6.根据权利要求1或4所述的提高复合材料胶接性能的表面处理方法，其特征在于：所述界面胶层(1)的添加剂为增韧剂、促进剂、偶联剂、助剂及增强填料中的一种或一种以上的混合物。
7.根据权利要求1所述的提高复合材料胶接性能的表面处理方法，其特征在于：界面胶层(1)首先铺帖在复合材料预成型体(2)的待胶接表面后再铺帖可剥布(3)，或界面胶层(1)与可剥布(3)结合后再铺帖在复合材料预成型体(2)的待胶接表面上。
8.根据权利要求1所述的提高复合材料胶接性能的表面处理方法，其特征在于：薄胶层(5)的厚度为界面胶层(1)厚度的2～3％。
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